大型矿山电动轮发动机异常排烟机制及故障控制研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

大型矿山电动轮发动机异常排烟机制及故障控制研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

大型矿山电动轮汽车柴油发动机异常排烟故障，一直是国内外关注和重点研究的技术领域。研究异常排烟形成机制及故障控制关键技术，可及时采取措施，避免故障扩大及不必要的损失，提高车辆可开动率，减少异常排烟，延长寿命，降低能耗。

大型矿山电动轮；柴油发动机；异常排烟故障

0 引言

柴油发动机功率大、动力性强、经济性好、寿命长、节能环保，与汽油发动机相比热效率高30%，它是大型露天矿山电动轮汽车的“心脏”，也是动力之源。其维修难度大、专业技术含量高、造价昂贵，故其正常运行、维修和调整，对矿山安全生产、有序正常进行及经济效益至关重要。目前江铜德兴铜矿铜厂和富家坞采矿区在线使用的830E、730E、630E、EH3500、R-190Ⅲ、R-170型电动轮汽车共63台，且分别配置SDA16V160、SSA16V159(K2000E)、16V-149TIB、K2000E、MTU12V-4000、16V-149TI型康明斯、小松、底特律柴油发动机，对专业检修技能要求较高。

该矿电动轮柴油发动机工况十分恶劣，以排烟异常故障最为常见。在车辆的二级维护检测项目中，也往往根据发动机排气管的排烟检测来判断发动机的工况。因操作调整和维护保养不当，发动机零部件润滑状况不良、积炭、过度磨损、松脱、断裂等，易引起发动机运转时工作状态异常，如水、气、油等泄漏，导致排黑烟、白烟、蓝烟、灰烟、不排烟及喷火等故障，使机件磨损加剧，故障率和维修成本高，燃料消耗量骤升，势必严重影响发动机的燃油经济性和可靠性，污染环境，形成公害，严重阻碍和制约生产的顺利进行，成为该矿生产技术的“瓶颈”[1]。

1 异常排烟故障机制及分析

影响柴油机燃烧过程的因素很多且错综复杂，如喷油提前角、喷油压力、喷油规律、转速、负荷、冷却强度、压缩比、空气涡流、配气相位、喷火及柴油性质等。根据气缸中温度、压力变化的特点，其燃烧过程可分为滞燃期、速燃期、缓燃期及后燃期。发动机排烟是指燃烧室内燃料燃烧后向外排放的废气，能直接反映整个燃烧室内的工况。燃料燃烧主要是指燃料中的碳、氢等元素与空气中的氧之间产生剧烈氧化反应，分别形成CO2、H2O。燃烧不正常时，通常以排烟异常形式表现出来，怠速或高速、重载时更严重，它们是判断柴油机故障的条件之一。技术状况良好的柴油机排烟呈无色或淡灰色，短期大负荷仅呈深灰色。无色并非纯净无色，而是伴有很浅的淡灰色，凭借肉眼几乎看不到。由于多种原因或故障，可能出现排烟异常，且伴有起动困难、功率下降、温度过高、运转不稳、敲缸及机体抖动等特征，偶尔出现进气管“呛气”、排气管“放炮”等现象。异常排烟表明发动机工作不正常，即可判断为发动机发生故障。

对排黑烟故障，从燃烧过程分析，喷入柴油过多或进气量不足，造成柴油与空气的混合比例失调，燃料混合气过浓，燃烧速率下降，导致可燃混合气形成不良或燃烧不完全即缺氧状态，且以多孔性碳粒、CO为主，机件易早期损坏，油耗大，污染环境严重。柴油是多组分复杂的碳氢化合物，发动机在高温、高压、局部缺氧的条件下燃烧，裂解过程释出、聚合而成不完全燃烧产物，形成游离碳悬浮于燃气中，混入废气排出形成黑烟。因柴油机属非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件不一致，会随着时间的推移而变化，故黑烟生成条件迥异，其形成过程可分为核阶段、单粒阶段、单粒的燃烧消失或积聚成更大的絮团3个阶段。若燃油喷射至燃烧室侧壁，形成液态油膜，其燃烧取决于蒸发速度、燃料蒸气与氧的混合速度，若混合速度不够或周围气体中氧浓度太低时，从油膜蒸发的燃料气体被分解，会产生未燃烃、不完全氧化产物及黑烟。

对排白烟故障，从燃烧过程分析，水进入气缸内受热汽化形成水蒸汽，随废气一同排出，或燃烧不良，喷入气缸的部分柴油未完全燃烧，形成油气排出。排烟颜色呈水蒸汽的白色，它与无色不同，说明排烟中含未燃烧的燃油或混有水分，且以H2O为主。白烟呈液珠状态，直径稍大于蓝烟，在光的折射下呈白色，它是未燃烃(含燃油、润滑油)、不完全燃烧的中间产物及水蒸汽，除水蒸汽外，皆属于微粒范畴。发动机刚起动或冷机状态，燃油燃烧不良，部分燃油蒸发为燃油蒸气，形成白烟，以寒冬腊月时最明显。冬季寒冷，发动机排气遇冷空气也会形成白烟，不可误认为发动机排白烟。

对排蓝烟故障，从燃烧过程分析，过量机油混入燃烧室参与燃烧，机油耗量大，燃烧室里积炭增多，使气缸、活塞及活塞环磨损加剧。对新的或大修后的发动机，一般磨合时间需30～40 h，方能达到良好技术状况，若未经良好磨合而直接带正常负荷工作，易导致发动机排蓝烟，此时机油过量窜入燃烧室受热蒸发为油气，且以FC为主。

对排灰烟故障，从燃烧过程分析，主要是发动机进气管路出现问题，如空气滤清器等故障。对不排烟故障，从燃烧过程分析，主要是燃料系故障不供油即喷油泵不喷油，气缸内无柴油，根本无法完成燃烧。对排气管喷火或喷火星故障，从燃烧过程分析，主要是配气相位不准，喷油过迟或喷油器严重滴油，后燃严重，造成燃烧不完全。

2 异常排烟故障诊断及控制研究

异常排烟是发动机内部故障的综合反映，它表明发动机燃烧性能已发生改变，有时可预告其事故性损伤，在某种程度上也反映了其使用、维修及保养状况，是简单而行之有效的故障诊断方法和依据之一。可在发动机暖机时进行排查，且根据发动机在低、中、高速及加速过程中烟色的连续变化，通过察“烟”观“色”即可找到故障病根。

2.1 排黑烟

排黑烟也称“碳烟”。主要表现为排黑烟的同时，伴有柴油机动力性、经济性下降，如发动机功率降低，排气、冷却水温度升高，机体和气缸盖发热，柴油消耗量增加，易形成积炭，缩短发动机使用寿命等。

2.1.1 负荷过大

车辆加速、爬坡或发动机超负荷运转时，喷入燃烧室的燃料陡增，过量的柴油与空气混合不均，燃烧时不可避免地出现局部空气不足，柴油在高温、高压缺氧的状况下分解、聚合或形成黑碳烟雾，随废气一同排出。发动机负荷过大时，应减轻负荷，尽量避免发动机长时间超负荷工作。

2.1.2 喷油器雾化不良或滴油

柴油机低速时，该故障最明显。其故障主因是喷油器压力调整过低；喷油器调压弹簧折断或发卡；喷油器针阀与阀座积炭，针阀卡滞或磨损过甚；喷油泵出油阀减压环带过度磨损，致使喷油器滴油。转速越低，排烟越大，可采用单缸断油法逐缸进行排查，若对某缸暂时停止供油时，排黑烟现象减轻或消失，在喷油泵正常工作的情况下，可判断该缸喷油器故障，需酌情清洗、研磨喷油器偶件，必要时需调整或更换。

2.1.3 喷油泵供油过量

燃料供给过大，燃料燃烧不完全，持续不断排黑烟，且随着油门加大而变得越来越严重，可采用单缸断油法逐缸进行排查。若对某缸暂时停止供油时，在喷油器正常工作的情况下，可断定该缸供油过量。其主因通常是喷油泵校正有误差，或泵油量调节螺钉等松动；烟雾限制器脱落，起动时排黑烟特别严重等。喷油泵供油太多时，应调整喷油压力，适当调小该缸的供油量，必要时卸下喷油泵，上试验台重新进行调试。

2.1.4 供油提前角过小

供油提前角过小，使供油过迟时，后燃增加，燃料不能完全燃烧，形成碳烟随废气排出。需严格按规定调校供油提前角。

2.1.5 空气滤清器堵塞

空气滤清器滤芯积尘过多堵塞，造成气缸内的新鲜空气不足，即使喷入气缸内等量的柴油，也没有充足的空气与之混合，柴油无法充分燃烧，导致发动机排黑烟。若断开空气滤清器，发动机排黑烟消失或明显减轻，可断定空气滤清器滤芯堵塞，应保养进气系统，更换滤芯后重装时，必须确保空气滤清器与连接管道密封到位。

2.1.6 柴油品质较差

发动机对柴油品质有较严格的要求，若柴油品质不能保证时，如使用劣质柴油或柴油中含有杂质，易使喷孔堵塞、喷油头损坏或卡死，造成雾化性能差，甚至不雾化，导致燃烧不完全[2]，易形成碳烟排出，烟色越浓，表明燃烧越不完全，此时往往伴随有柴油泵柱塞的损坏和动力不足。若运行一段时间后该故障自然消失，说明杂质被高压油冲掉，一般不作处理，但应使用符合发动机在该地区环境温度下正常工作的标准柴油。

2.2 排白烟

该故障主要表现为发动机不易启动、启动时排气管排白烟。其故障主因是发动机温度过低。若柴油机温度、排气管温度皆正常时，排气管仍然排白烟，表明柴油机工作不正常，即可判断有故障。判断白烟是油雾或水蒸汽，可利用手掌来测试，通过“一观二搓三闻”法进行诊断，若观察呈珠状即水蒸汽；指搓捻附着物，滑者为油雾，涩者为水蒸汽；附着物柴油味浓者为油雾，味淡或无味者则为水蒸汽；若是水蒸汽，则需进一步诊断是冷却系统还是供油系统故障。

2.2.1 气缸套裂纹或气缸垫损坏

随着冷却液温度、压力的不断升高，冷却液会进入气缸内，排气时易形成水蒸汽或水雾，导致发动机排白烟。其主因是喷油器雾化不良，使喷油压力过低，产生滴油现象，造成气缸中的燃油混合气体不均匀、燃烧不充分，未充分燃烧的燃油量大，从而产生大量的水蒸汽或水雾。

2.2.2 供油提前角过小

供油提前角过小时，易导致柴油机发动机动力不足，排灰白色烟雾；若伴随有发动机温度过高、提速减缓的状况，则表明喷油时间过迟。若突发该状况时，大多是因喷油泵轴相对喷油泵齿轮转动，引起供油提前角过小所致。应检查供油提前角，严格按照技术要求进行喷油正时的调校。

2.2.3 喷油时间过迟或过早

柴油机高速运转时，若出现加速不灵敏、温度过高、工作不均匀且无力，此时排气管排灰白色烟雾，表明喷油时间过迟，失去了充分燃烧的时间，气缸内温度太低，未燃烧的部分柴油易形成白色油雾从排气管排出。可排查和调整连接盘紧固螺钉、键及键槽等状况，缓慢地提前喷油时间，以消除白烟，使柴油机恢复正常运转；若调整后无明显好转，则应检查喷油泵各缸柱塞的定时调整螺钉有无松动。活塞上行至气缸顶前时，因喷入气缸燃油量太少，形成的可燃混合气体较稀，喷油过迟使预混燃油量太少，预混合气量减少，燃烧速度降低，燃烧结束滞后，导致燃烧产生的水汽烟雾大[3]。喷油时间过早，压燃温度较低，燃油喷入后，充分燃烧条件被破坏，燃油不能完全蒸发燃烧，未充分氧化的燃油会变成油雾排出。

2.2.4 气缸运行状况不佳

柴油机刚起动时，个别气缸工况不好或拒绝工作，未燃烧的燃油混合气随其他工作气缸的废气一并排出，形成水汽烟雾。若发动机刚起动时排白烟，温度升高后却变为排黑烟，则表明气缸压力不足，虽能满足柴油机起动的要求，但毕竟温度过低，部分柴油未经燃烧即挥发成蒸汽排出。必须排查气缸是否磨损过大；喷油器座孔的密封垫或气缸垫是否漏气；气门关闭是否严密；配气相位状况；活塞环是否卡滞或其开口是否重合等，再采取针对性的措施。

2.2.5 喷油器滴油或雾化不良

因喷油器或喷油泵自身故障，引起喷油器滴油、雾化不良，部分燃油未经燃烧排出气缸，尤以喷油器喷油结束滴油，排白烟现象最严重，且白烟是非连续、一股一股的。若针阀咬死、喷油压力不足，引起喷油器滴油、雾化不良，产生大量、连续的白烟，且伴有功率下降明显，排气、冷却水温度降低，需修理喷油器。康明斯K系列发动机排白烟且工作温度升高，当冷却液温度达70 ℃时，若白烟变为黑烟，表明喷油器滴油或雾化不良，可利用逐缸断油法排查，再校验故障喷油器；若喷油时滴油，需排查喷油压力是否过低、针阀体是否变形或磨损过度。

2.2.6 燃油中混入水、空气

柴油中含水量大，易被蒸发成水蒸汽排出；气缸衬垫冲坏或气缸盖螺栓不全或气缸体、气缸盖冷却水套破损时，水便进入气缸；混入燃油的空气和水，随着燃油喷射进气缸内，使燃油混合气不均匀，燃烧不完全，产生大量的未然烃排出机外；气缸套、活塞等磨损过大，使压缩力不足，燃烧不完全。

可利用单缸断油法判断漏水气缸。若影响柴油机转速，说明该气缸工况良好，否则表明该气缸不工作，需卸下喷油器，排查喷孔上是否有水迹，分析是气缸垫被冲坏或气缸破裂；若各缸未发生异常状况，仍出现工作无力且排白烟，则可打开燃油箱和燃油滤清器的螺塞，检查柴油中是否带水。

2.2.7 环境温度太低

冬季冷车启动后，呈乳白色的油烟从排气管排出，较为普遍。因环境气温太低，柴油发动机燃烧室温度过低，燃油喷入气缸后，部分柴油不完全燃烧，变成油气随废气排出，导致发动机大量排白烟。发动机启动后，空车低速或低速、低负荷运转一段时间，随着发动机温度的升高，再增大负荷，乳白烟会逐渐消失，转变为正常颜色。

2.3 排蓝烟

排蓝烟也称“烧机油”。其故障主因是发动机润滑油混入燃烧室。其主要表现为发动机在运转过程中，排气管大量排蓝烟，且伴有发动机润滑油耗量过多。需解体发动机排查，冷机状态发动机排烟呈蓝色，但机油消耗正常，与燃料有关，则视为正常。

2.3.1 活塞、活塞环与缸套配合不良

因缸套、活塞、活塞环严重磨损或装配不良，使活塞与气缸配合间隙过大时，机油易飞溅至气缸壁上，易上窜至燃烧室，导致发动机排蓝烟。一旦发动机活塞与气缸的配合间隙过大，甚至超过规定值时，应更换缸套或镗缸匹配更换大的活塞和活塞环，直至配合间隙符合规定要求。

对修理中更换的活塞环、气缸套或新装配柴油发动机，若磨合不良，接触面不平整，表面残存的加工刀痕会削弱油环刮油能力，机油易窜入燃烧室，导致发动机排蓝烟。应卸去或降低发动机负荷，低速运行，只要磨合运转一段时间后，蓝烟会自行消失。

活塞环磨损失圆、弹力不足和切口间隙过大时，气缸密封性降低，环槽与活塞环端面间隙随之变大，活塞环泵油能力变强，大量机油通过活塞环切口、端面间隙窜入燃烧室，或活塞环磨损过大、机油耗量增大，且伴有功率下降、启动困难、燃烧不良等，导致发动机排蓝烟，需更换切口和端面的间隙超过规定值或弹力消失的活塞环；怠速时排蓝烟主要表现为热车急加速，故障主因是：活塞环工况差，上机油；活塞销堵片松动，窜机油；扫气泵油封漏油；830E、730E柴油发动机泵喷嘴定时线路断开等。冷车急加速时排蓝烟故障主因是：泵喷嘴滴油；活塞环状况差，上机油；活塞销堵片松动窜机油等。

2.3.2 曲轴箱内机油过多

曲轴箱内机油过多时，曲轴高速旋转易将大量机油飞溅至气缸壁上，当超过油环的刮油能力时，机油易窜入燃烧室，导致发动机排蓝烟。可采用机油尺检查曲轴箱内机油面高度，为保证检查结果的准确性，需待柴油发动机停车半小时后方可进行，以使各润滑部位的机油流回曲轴箱，应放出多余机油，使油面放至标准位置。凡大修过的车辆或新车，通常不会因活塞与气缸的间隙过大而引起润滑油上窜，但活塞环内外切口(或切角)装反会引起润滑油上窜。

2.3.3 气门杆导管间隙过大或注油过多

气门导管磨损过大，使气门杆与导管配合间隙过大，或向气门导管注油过多时，机油易窜入燃烧室参与燃烧，导致发动机排蓝烟。应及时更换气门导管，且按说明书要求按时按量向气门导管人工加注机油。

2.3.4 油环磨损严重或积炭过多

油环磨损严重、开口间隙过大或油环装反时，需更换活塞和缸套；积炭过多时，油环易在环槽内胶结，失去刮油功能，气缸壁的机油便窜至燃烧室，导致发动机排蓝烟，机件磨损加剧。应及时清除油环、环槽上的积炭或更换油环，重新安装活塞环。

2.3.5 涡轮增压器漏油

该故障较少见。涡轮增压发动机烧机油排蓝烟，但动力未下降，进气软管或压缩空气出口处有机油油污，其故障主因是涡轮增压器漏油。如发动机进气系统进灰或缸盖气门头断裂时，引起涡轮增压器叶轮损坏或断裂，引起转子动平衡被破坏或温度高，浮动油封损坏，机油进入进、排气系统，燃烧不完全的机油混入排气管中进行二次燃烧而排蓝烟。若使用不当、保养不及时，引起转子轴油封损坏而渗漏机油，混入新鲜空气中或从涡轮端随废气排出时被高温废气汽化而排蓝烟。应更换油封，清除涡轮积炭，检查转子轴轴承间隙，避免损坏新油封。

2.4 排灰烟

发动机排烟呈淡灰色，说明柴油机工作正常。排烟颜色逐渐加深，呈灰色抑或是黑色，则表明工作不正常。其故障主因除上述排黑烟的因素外，还有空气供给不畅即进气不良。卸下进气空气滤清器后，若排烟由深变浅或变成无色，则表明空气滤清器堵塞严重，必须排查进气管路故障原因[4]。

2.5 不排烟

该故障较明显。其主因是燃料系统故障不供油，如柴油滤清器堵塞，使高压油路不供油；油箱油量不足，或油箱盖通气阀失灵，油泵难以正常吸油；输油泵损坏如弹簧折断，无法泵油；喷油泵故障；油管内混入空气，不能保证柴油正常供给等。应先松开喷油泵放气螺钉，用手油泵泵油，观察放气螺钉处是否流油，流油或排气泡说明低压油路故障；流油正常则表明高压油路故障。

2.6 喷火或喷火星

该故障较明显。其故障主因是配气相位不准如排气门开启提前角过大等时，部分燃烧在排气管中进行，且伴有“喷火”、“放炮”现象；喷油过迟或喷油器严重滴油，造成后燃严重；排气门弹簧弹力变弱或断裂，排气门卡滞或间隙过小、排气密封不严等，导致排气提前或使部分燃烧在排气管中进行，必须立即进行排查、调整或更换。

而实际操作中，要准确地描述柴油发动机排气烟色则应综合考量，除烟色变化的连续性外，还应知晓报烟色的人是否色弱色盲及外部环境对察“烟”观“色”的影响。因而有时向别人咨询异常排烟故障时，不妨直问是有负荷烟或无负荷烟、热车烟或冷车烟、浓烟或淡烟及设备所处的环境。

3 结束语

发动机排烟颜色的变化与其故障有着千丝万缕的联系，直接影响其工作效率、故障率及成本能耗水平，是判断发动机故障的重要标志之一。对使用中后期车辆，异常排烟故障原因更错综复杂，需据现场实际诊断分析，针对大型矿山电动轮发动机异常排烟机制及故障控制进行深入的研究，可准确、快速地判断故障，保证发动机正常工作。

【1】张伟旗.矿用汽车发动机故障诊断与维修关键技术研究[J].重型汽车，2015(3)：42-44.

【2】周宁.车用柴油机排烟异常的原因分析[J].南宁职业技术学院学报，2006，11(2)：98-101.

【3】魏东升.浅谈柴油发动机冒白烟故障诊断[J].中国科技博览，2011(37):419.

【4】丁群.通过排烟分析柴油发动机的故障[J].机电产品开发与创新，2010，23(2)：80-81.

Exhaust Smoke Abnormal Mechanism and Fault Control Researchfor Large Mine Electric Wheel Engine

ZHANG Weiqi

(Copper Co.，Ltd.,Jiangxi Copper Corporation，Guixi Jiangxi 335424，China)

The abnormal exhaust smoke failure of diesel engine of large mining electric wheel cars，is a technical field of attention and focus research at home and abroad. The forming mechanism of abnormal exhaust smoke and fault control key technologies were studied. Measures could be taken timely, to avoids failure expansion and unnecessary loss. So the vehicle actuate rate is high，abnormal discharge smoke is less，the service life is long，and energy consumption is low.

Large mine electric wheel cars；Diesel engine；Abnormal discharge smoke failure

2015-11-24

张伟旗(1965—)，男，工学学士，高级工程师，中国机械工程学会高级会员，主要研究方向为矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程。E-mail:Zhangwq678@126.com。